Dimensionamento da instalação

O dimensionamento de uma instalação fotovoltaica com as características do caso de estudo depende maioritariamente da área disponível para a montagem dos painéis fotovoltaicos, considerando uma orientação e uma inclinação ótimas. Nas secções seguintes, serão apresentados dois cenários de condições para o dimensionamento da instalação fotovoltaica, os dispositivos selecionados e a produção de energia conseguida.

3.2.1.1.1. Otimização da orientação/inclinação dos módulos

A orientação e inclinação dos módulos fotovoltaicos são objeto do dimensionamento da instalação fotovoltaica. Neste campo, utilizaram-se duas abordagens, seguidamente descritas.

Na primeira abordagem, otimiza-se a orientação e inclinação dos módulos fotovoltaicos para maximizar a radiação incidente8_{. Utilizando o Solver do Excel, que usa métodos da investigação} operacional para encontrar a solução ótima para um problema obedecendo a constrangimentos que se definem, encontra-se o par orientação/inclinação que maximiza a energia global anual no plano inclinado. A otimização utilizada tem como base o método evolucionário com as características mencionadas na Tabela 3. Além destas características, de forma a tornar a otimização mais rápida, impõem-se limites para a inclinação (entre 26° e 38°) e para o azimute (entre 165° e 195°).

Tabela 3: Características do método evolucionário utilizado com a ferramenta ‘Solver’ do Excel.

Convergência 0,0001

Taxa de mutação 0,075

Tamanho da população 200

‘Seed’ aleatório 0

Máximo soluções sem melhoramento 30

As soluções encontradas que otimizam a energia global captada no plano inclinado são as presentes na Tabela 4. Como seria de esperar, a orientação ótima encontrada é aproximadamente a Sul, por isso estas condições serão referidas como as correspondentes ao cenário com orientação Sul.

Tabela 4: Condições ótimas encontradas para a orientação e inclinação dos módulos fotovoltaicos e energia global anual incidente nestas condições.

Orientação 182°

Inclinação 32°

anual 1,68 MWh/m2

8_{A ferramenta PVGIS [83], uma ferramenta online que permite uma avaliação do recurso solar, poderia}

ter sido diretamente utilizada para saber os parâmetros ótimos da instalação; no entanto, para a análise efetuada neste trabalho, seria necessário ter os valores horários da produção de ESF ao longo de todo o ano. O cálculo da produção de energia, não sendo exatamente o mesmo utilizado pelo PVGIS para otimização da inclinação e orientação, poderia levar a incoerências, i.e., o par orientação/inclinação ótimos para o PVGIS poderia não o ser para a metodologia utilizada. Por estas razões, optou-se por otimizar a orientação e inclinação dos módulos sem recorrer ao PVGIS.

Com o software Sketchup com o plug-in Skelion9, é possível preencher as estruturas de sombreamento virtuais dos veículos com módulos nas condições anteriormente apresentadas, como representado na Figura 27. Para tal, assume-se que os painéis devem estar afastados cerca de 0,04m uns dos outros e que as várias fileiras de módulos têm de estar afastadas cerca de 4,46 m (valor recomendado pelo programa), para que não exista sombreamento dos módulos no solstício de inverno, quando o Sol se encontra mais baixo. Segundo estes parâmetros, a instalação fotovoltaica teria cerca de 2200 módulos (considerando módulos fotovoltaicos com uma área de 1x1,67 m2_).

A segunda abordagem ao dimensionamento desta capacidade fotovoltaica baseia-se na orientação da maioria dos blocos de estacionamento do PE, que corresponde a cerca de 150°, como se representa na Figura 28. Uma vez que esta orientação corresponde à direção de Sudeste, as condições apresentadas de seguida corresponderão ao cenário com orientação a Sudeste.

A maximização da energia captada otimiza-se variando a inclinação dos painéis e fixando a orientação 150°; analogamente à otimização anterior, mantêm-se os constrangimentos da inclinação. Deste modo, obtém-se um valor ótimo de 33° de inclinação.

9 _{O plug-in Skelion permite “projetar instalações solares térmicas e fotovoltaicas em modelos 3D” [84].}

Figura 28: Esquema representativo da orientação da maioria dos blocos de estacionamento (Ψestacionamento) no PE.

Figura 27: Esquema representativo da configuração dos painéis fotovoltaicos no PE considerando as condições ótimas de instalação.

Tabela 5: Condições ótimas encontradas para a inclinação dos módulos fotovoltaicos e energia global anual incidente nestas condições tendo em conta a orientação da maioria dos blocos de

estacionamento.

Orientação 150°

Inclinação 33°

anual 1,46 MWh/m2

Como seria expectável, a energia anual que atinge o plano inclinado nestas condições tem um valor ligeiramente inferior ao caso anterior. No entanto, a esta nova orientação permite instalar mais painéis. Recorrendo novamente ao plug-in Skelion do Sketchup, obtém-se uma área disponível suficiente para instalar cerca de 3480 painéis, segundo as condições definidas para a orientação Sudeste (Figura 29). Uma vez que esta configuração permite um muito maior aproveitamento da área disponível para a instalação dos painéis, com uma penalização pequena na energia captada por unidade de área, considera-se este cenário como mais favorável para a instalação fotovoltaica.

3.2.1.1.2. Seleção dos equipamentos

A escolha dos equipamentos para a instalação fotovoltaica deve ter em atenção a dimensão da mesma e o local.

Selecionaram-se os módulos fotovoltaicos a modelar tendo em atenção a sua disponibilidade no mercado português, optando-se pelo Sunmodule Plus SW 285 mono da FFSOLAR. As características principais deste módulo encontram-se descritas na Tabela 6.

Tabela 6: Características do módulo fotovoltaico adotado.

Marca e modelo Sunmodule Plus SW 285 mono

Tecnologia Silício monocristalino

Potência máxima

Condições Standard Test Conditions – STD

(STC - 1000 W/m2_{; 25}°_{C; AM 1,5)}

285 Wp Condições Normal Operating Cell

Temperature - NOCT

(800 W/m2_{; NOCT = 46}°_{C; AM 1,5)}

213,1 Wp

Figura 29: Esquema representativo da configuração dos painéis fotovoltaicos no PE considerando a orientação da maioria dos blocos de estacionamento.

Área do módulo 1,67 m2

Eficiência 17,17 %

Característica térmica

- Perda de eficiência Potência -0,41%/K

Uma vez que o número de módulos a instalar é de 3480 unidades, obtém-se uma capacidade instalada de 990 kW. Recorrendo ao software System Advisor Model (SAM10), a configuração dos módulos admitida foi de 20 módulos por string e 174 strings, o que implica cerca de 16 inversores para que se consiga um rácio DC-AC de 1,04.

Devido à dimensão da instalação fotovoltaica, a configuração a aplicar é um pouco mais complexa do que numa instalação pequena, (Figura 30).

A disposição considera 16 agrupamentos de strings, cada um ligado a um inversor DC-AC, que, por sua vez, será controlado pelo gestor de inversores central. O agrupamento de várias strings permite uma maior flexibilidade na distribuição de todo o sistema como também uma menor utilização de cabos. O fabricante de módulos SMA disponibiliza online um produto, o SUNNY TRIPOWER 60, que possibilita a execução de um esquema semelhante ao descrito na Figura 30. Deste modo, os inversores STP60000TL são selecionados, assim como as caixas de agrupamento de strings e o gestor de inversores.

3.2.1.1.3. Produção de energia solar fotovoltaica

Na produção de ESF é necessário ter em conta as eficiências dos vários dispositivos utilizados. Considera-se a eficiência do módulo fotovoltaico selecionado, dos inversores (onde se assumiu o valor da eficiência máxima) e dos cabos de ligação necessários. Estes valores encontram-se na Tabela 7. Não foram consideradas perdas por sombreamento, pois este ocorre maioritariamente no início e final do dia, altura em que tendencialmente existem poucos carros a carregar (a maioria dos VEs já estaria carregada ao fim da tarde) e a produção é, de toda a forma, baixa.

Tabela 7: Eficiência associada aos componentes incorporados na instalação fotovoltaica.

ηmódulo fotovoltaico 17,17 %

ηinversor 98,8 %

ηcabos 95 %

10 _{O SAM é um software que ajuda no dimensionamento e análise financeira de diversos projetos de}

energias renováveis. Caixa de agrupamento de strings Inversor Caixa de agrupamento de strings Inversor Gestorde inversores

Figura 30: Esquema representativo da disposição das strings dos módulos fotovoltaicos em relação às caixas de agrupamento de strings, inversores e gestor de inversores.

A variação de eficiência em função da temperatura ambiente também deve ser considerada, pois influencia a produção de energia. Assim, considera-se as características térmicas da perda de eficiência em relação à potência do módulo. O coeficiente associado é o indicado na Tabela 6. Ou seja, por cada grau de diferença em relação à temperatura de referência (por exemplo, a temperatura das condições NOCT), reduz-se em 0,41% a potência do painel fotovoltaico.

O cálculo da perda de eficiência referida tem em conta as condições NOCT (Tabela 6) e a temperatura ambiente (ficheiro EPW do LNEG para Lisboa) ao longo de todo o ano. Inicialmente, calcula-se a temperatura do módulo com a Equação 14.

(14)

Na expressão, Tmóduloh representa a temperatura do módulo fotovoltaico na hora h [K]; NOCT é

a temperatura da célula fotovoltaica nas condições NOCT [K]; GNOCT é a radiação solar em

condições NOCT [W/m2_{]; G}

h é a radiação na hora h [W/m2] e Tambh é a temperatura ambiente na

hora h [K].

De seguida, verifica-se a diferença da temperatura do módulo em relação à temperatura NOCT e procede-se ao cálculo da eficiência causada pelo parâmetro de perda de eficiência da potência (0,41%/K), através da Equação 15.

η

Tambienteh

= (100%-0.41%) × ΔT

h (15)

Na expressão, ηTambienteh é a eficiência associada aos efeitos da temperatura ambiente na hora h

[k] e ΔTh é a diferença de temperatura absoluta entre o módulo e o ambiente na hora h [K].

A eficiência global do sistema a cada hora (ηglobalh) determina-se de acordo com todas as

eficiências mencionadas anteriormente, Equação 16.

η

globalh

= η

módulo fotovoltaico

× η

inversor

× η

cabos

× η

Tambienteh (16)

A área de captação dos módulos fotovoltaicos é conseguida através da multiplicação do número de módulos pela sua área individual.

A energia produzida é então calculada de acordo com a Equação 17.

E

produzidah_W

=G

h

× A

módulos

× η

globalh (17)

Na expressão, Eproduzidah_W é a energia produzida na hora h [W] e Amódulos a área de captação dos

módulos fotovoltaicos [m2_].

No documento Potencial solar de parques de estacionamento para carregamento de veículos elétricos (páginas 58-62)